Солнечные батареи: принцип работы

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей

Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества

Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках

Солнечные батареи – незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания

Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками

Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом

Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими

Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

1. Монокристаллические.
2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

Солнечные электростанции для автономного электроснабжения собирают из солнечных панелей, составной частью которых является полупроводниковый фотоэлемент

По способу производства и непосредственно связанной с ним эффективности фотоэлементы делят на моно- и поликристаллические виды

Монокристаллические варианты производятся из цельного кристалла, выращенного в лабораторных условиях. Они темнее, внешне выглядят как прямоугольник со скошенными углами

Фотоэлементы из монокристаллического кремния генерируют энергию с КПД в 20-22%. По стоимости они дороже поликристаллических

Для устройства автономной электростанции можно приобрести как отдельные фотоэлементы для самостоятельной сборки, так и батареи в собранном и подготовленном к монтажу виде

Поликристаллические фотоэлементы изготавливаются из кремния, полученного путем расплава и дальнейшего отвердевания. Внешне это прямоугольники с четкими геометрическими формами, цвет у них светлее и синее, производительность меньше – до 18%

Собирают солнечные батареи из фотоэлементов обоих типов по общим правилам. В готовом к установке модуле должно быть 36 или 72 штук

Сборка как моно-, так и поликристаллических фотоэлементов производится пайкой с лицевой и тыльной стороны. Соединяют их последовательно

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

В изготовлении гибких солнечных батарей кремний слоями напыляется на полимерную пленку или металлическую фольгу. Правда их КПД в два раза ниже, чем у кристаллических

Изобретение гибких солнечных панелей существенно расширило сферу использования. К тому же они прочнее и легче поли- и монокристаллических элементов

В продаже появились портативные зарядные устройства, выполненные на основе гибкой батареи. Устройство снабжено аккумулятором для накопления заряда

Гибкие модели солнечных батарей лишены основного недостатка кристаллических фотоэлементов – хрупкости. Их без опасений можно брать в походы, дальние путешествия, морские прогулки

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры воздуха и самой батареи;
• правильности подбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия/отсутствия антибликового покрытия;
• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

1. Гелиопанели.
2. Контроллер. .
3. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Как работают солнечные батареи?

Солнечная энергия удивительна. В среднем на каждый квадратный метр поверхности Земли поступает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно ниже). Другими словами, вы могли бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу на каждый квадратный метр поверхности Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, другими словами, если бы мы покрыли всего один процент пустыни Сахара солнечными батареями, мы могли бы генерировать достаточно электричества, чтобы питать весь мир. Это хорошо в солнечной энергии: ее очень много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую посылает Солнце, прибывает на Землю как смесь света и тепла . И то, и другое невероятно важно: свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, в то время как тепло сохраняет нас достаточно теплыми, чтобы выжить, — но мы не можем использовать ни солнечный свет, ни тепло непосредственно для управления телевизором или автомобилем. Нам нужно найти какой-то способ преобразования солнечной энергии в другие виды энергии, которые мы могли бы использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что делают солнечные элементы.

Чтобы узнать, как работают солнечные панели, вам нужно понять, как они сделаны. Многие солнечные панели используют кремний, один из самых распространенных элементов планеты. Но поскольку создание кристаллов кремния подходящего качества сложно и дорого, домашние солнечные системы обычно строятся из аналогичных, но менее дорогих материалов, таких как медь, индий, галлий и селенид (CIGS). Они не так эффективны, как высококачественный кремний, но все же обеспечивают достаточную мощность при разумных затратах.

Кремний — это материал, из которого сделаны транзисторы (крошечные переключатели) в микросхемах, и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это материал, называемый полупроводником . Некоторые материалы, особенно металлы , позволяют электричеству проходить через них очень легко; они называются проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево , вообще не позволяют электричеству течь через них; они называются изоляторами. Полупроводники, такие как кремний, не являются ни проводниками, ни изоляторами: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это делать.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, которые были специально обработаны или легированы, чтобы они могли электричеством проходить через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому в нем слишком мало электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и их в этом слое слишком мало). Верхний слой легирован противоположным образом, чтобы дать ему немного слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа.

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой кремния p-типа, на стыке двух материалов создается барьер (важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Никакие электроны не могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремниевый бутерброд к фонарику, ток не будет течь: лампочка не загорится. Но если мы проливаем свет на бутерброд, происходит нечто замечательное. Мы можем думать о свете как о потоке энергичных «легких частиц», называемых фотонами., Когда фотоны попадают в наш сэндвич, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому они перепрыгивают через барьер к слою n-типа выше и текут по кругу. Чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и течет больше тока.

Это то, что мы подразумеваем под фотоэлектрическим напряжением, создающим свет, и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом .

Видимый солнечный свет состоит из невидимых частиц, называемых фотонами. У них есть энергия, но нулевая масса покоя. Когда фотоны сталкиваются с другими частицами, их энергия преобразуется в другие формы в зависимости от вида атомов, к которым они прикасаются. Большинство столкновений создают только тепло.

Но электричество также может быть произведено, когда фотоны делают электроны в атомах настолько возбужденными, что они отрываются и перемещаются свободно. Кремниевые электроны n-типа ищут электроны в кремнии p-типа, чтобы заменить отсутствующие электроны и поток между двумя полученными типами.

Замечательные свойства полупроводников, таких как кремний, позволяют поддерживать электрический дисбаланс. Это означает постоянную подачу электричества, пока фотоны попадают на солнечные панели. Ток собирается по проводам и распространяется по всей системе.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он генерирует электричество, используя солнечный свет, чтобы электроны перепрыгивали через соединение между различными ароматами кремния:

• Когда солнечный свет падает на клетку, фотоны (легкие частицы) бомбардируют верхнюю поверхность.
• Фотоны (желтые капли) несут свою энергию через клетку.
• Фотоны отдают свою энергию электронам (зеленым пятнам) в нижнем слое p-типа.
• Электроны используют эту энергию, чтобы перепрыгнуть через барьер в верхний слой n-типа и уйти в контур.
• Обтекание цепи электронами заставляет лампу загореться.

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит, что мы не можем волшебным образом создавать энергию или заставить ее исчезнуть в воздухе; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает, что солнечный элемент не может производить больше электрической энергии, чем он получает каждую секунду в качестве света. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует около 10–20 процентов энергии, которую они получают, в электричество. Типичный однопереходный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический максимальный КПД около 30 процентов, известный как предел Шокли-Кейссера, Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с различными длинами волн и энергией, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для захвата фотонов только в пределах определенной полосы частот, тратя впустую остальное. Некоторые из фотонов, попадающих на солнечный элемент, не имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, а избыток также теряется. Самые лучшие, передовые лабораторные ячейки могут управлять 46-процентной эффективностью в абсолютно идеальных условиях, используя множество соединений для захвата фотонов с различной энергией.

• Тень. Затененные солнечные панели не будут вырабатывать столько же энергии, сколько панели на полноценном солнце. Если ваша крыша лишена солнечного света, затенена необрезанными деревьями или зданиями, солнечная энергия может оказаться не лучшим выбором.
• Сезонность. Как и погода, выработка солнечной энергии меняется день ото дня и месяц за месяцем. Облачный зимний день не будет таким же продуктивным, как солнечный летний. Но важно сосредоточиться на круглогодичной картине. Например, снег иногда может отражать свет и улучшать фотоэлектрические характеристики. Таким образом, в действительности холодный месяц станет солнечным антагонистом, только если слякоть не покроет панели.
• Наклон. Солнечные панели должны иметь хороший наклон. Направление, в котором стоит ваш дом, его расположение, и даже уклон крыши, оказывают существенное влияние на эффективность работы солнечной солнечной системы. В идеале солнечные панели должны находиться под тем же углом, что и широта, на которой они установлены. Отклонения от 30 до 45 градусов обычно работают хорошо в большинстве сценариев.
• Азимут. Угол солнечного азимута — это направление компаса, откуда идет солнечный свет. В полдень солнечный свет исходит с юга в северном полушарии и с севера в южном полушарии. Неправильный угол азимута может снизить эффективность солнечной панели дома до 35%. Азимут нуля (обращенный к экватору) обычно является лучшим выбором.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, дать процентное соотношение здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Солнечные элементы первого поколения с однопереходными солнечными батареями не будут приближаться к 30-процентному КПД ограничения Шокли-Кейссера, не говоря уже о лабораторных показателях в 46 процентов. Все виды неприятных реальных факторов будут влиять на номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, то, как они расположены и под каким углом находятся, попадают ли они в тень, в какой чистоте вы их держите, насколько они горячие (повышение температуры имеют тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать внизу), чтобы они оставались прохладными.

Большинство солнечных панелей, которые вы видите сегодня на крышах домов, по сути, представляют собой просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные»), чтобы сделать их лучшими электрическими проводниками. Ученые называют эти классические солнечные элементы первым поколением, в значительной степени отличая их от двух разных, более современных технологий, известных как второе и третье поколение. Так в чем же разница?

Около 90 процентов солнечных панелей в мире изготовлены из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанных из крупных слитков, которые выращиваются в суперчистых лабораториях, процесс которых может занять до месяца. Слитки либо принимают форму монокристаллов (монокристаллический или моно-Si), либо содержат несколько кристаллов (поликристаллический, мульти-Si или поли-c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так, как мы показали выше: они используют одно простое соединение между кремниевыми слоями n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельных слитков. Таким образом, слиток n-типа можно получить, нагревая куски кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей добавки, в то время как слиток р-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Ломтики кремния n-типа и p-типа затем сливаются для соединения. Добавлены еще несколько наворотов (например, антиотражающее покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрическим элементам их характерный синий цвет, защитное стекло на передней панели и пластиковая подложка, а также металлические соединения, позволяющие подключить элемент к цепи), но простой pn-переход — это сущность большинства солнечных панелей.

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно их доля составляет миллиметровую глубину (около 200 микрометров, 200 микрон или около того). Но они являются абсолютными плитами по сравнению с элементами второго поколения, широко известными как тонкопленочные солнечные элементы(TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые снова примерно в 100 раз тоньше (несколько микрометров или миллионные доли метра глубиной). Хотя большинство из них все еще сделаны из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в которой атомы расположены случайным образом, а не точно упорядочены в правильной кристаллической структуре), некоторые сделаны из других материалов, в частности, теллурида кадмия (Cd -Te) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Поскольку они чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие, солнечные элементы второго поколения можно ламинировать на окнах, окнах в крыше, черепице и всех видах «подложек» (материалов подложки), включая металлы , стекло и полимеры (пластики). То, что элементы второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют эффективностью: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, в то время как первоклассные ячейки первого поколения могут достигать эффективности 15–20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается достичь более 7 процентов, а лучшие тонкопленочные ячейки Cd-Te справляются только с 11 процентами, а ячейки CIGS не лучше чем 7–12 процентов. Это одна из причин, почему, несмотря на их практические преимущества, элементы второго поколения до сих пор оказывали относительно небольшое влияние на солнечный рынок.

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты ячеек первого и второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокую эффективность (30 процентов и более). Как и элементы второго поколения, они, скорее всего, будут изготовлены из материалов, отличных от «простого» кремния, таких как аморфный кремний, органические полимеры (создание органических фотоэлектрических элементов), кристаллы перовскита, и имеют несколько соединений (из нескольких слоев) различных полупроводниковых материалов. В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее и практичнее, чем клетки первого или второго поколения.

В теории огромное количество. Давайте на время забудем солнечные элементы и просто рассмотрим чистый солнечный свет. До 1000 Вт необработанной солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо с Солнца (это теоретическая мощность прямого солнечного света в полдень в безоблачный день — солнечные лучи излучают перпендикулярно поверхности Земли и дают максимальное освещение или инсоляцию), как это технически известно. На практике, после того, как мы скорректировали наклон планеты и время суток, лучшее, что мы можем получить, это, возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах (даже в безоблачный день). Это составляет примерно 2–6 кВт/ч в день (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландии, или наоборот в южном полушарии, например, в Аризоне или Мексике). Умножение производства на целый год дает нам где-то между 700 и 2500 кВт/ч на квадратный метр (700–2500 единиц электроэнергии). Более жаркие регионы, очевидно, обладают гораздо большим солнечным потенциалом: например, на Ближнем Востоке ежегодно получается на 50–100 процентов больше солнечной энергии, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы эффективны только на 15 процентов, поэтому мы можем захватить только часть этой теоретической энергии. Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество энергии, которую вы можете производить, очевидно, напрямую связано с тем, сколько места вы можете позволить себе покрыть панелями. Один солнечный элемент (примерно размером с компакт-диск) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль, изготовленный из массива около 40 элементов (5 рядов по 8 элементов), может генерировать около 100–300 Вт; поэтому несколько солнечных панелей, каждая из которых состоит из 3–4 модулей, могут генерировать абсолютный максимум в несколько киловатт (вероятно, достаточно для удовлетворения пиковой потребности дома в электроэнергии).

Принцип работы солнечной батареи и ее разновидности

Солнечная энергетика – перспективное направление в развитии альтернативных источников энергии. Технология продвинулась настолько, что современные батареи способны закрыть потребности в электричестве загородного дома даже в тех широтах, где количество ясных дней весьма ограничено (например, в Ленинградской области). Разбираемся, каков принцип работы солнечной батареи, какие виды оборудования существуют, какие параметры нужно учесть при выборе.

Как работает технология

Принцип действия солнечных батарей основан на возможности взаимодействия солнечного света (а это электромагнитное излучение) с веществом. При этом взаимодействии энергия фотонов (световых частиц) передается электронам вещества, то есть, энергия света преобразуется в постоянный электрический ток.

Явление было открыто еще в 19 веке, и получило название фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для его возникновения и поддержания необходимы фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), полупроводники по способу функционирования.

Полупроводник – материал с избытком или недостатком электронов. В полупроводниковом элементе имеется два слоя с разной проводимостью. Слой с лишними электронами играет роль катода, слой с недостатком электронов – анода. В большинстве современных изделий роль полупроводников выполняют кремниевые пластины, обладающие необходимыми полупроводниковыми свойствами.

Отдельные фотоэлементы имеют слишком малую мощность, чтобы питать электроприбор. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, которая формирует то, что называют солнечной батареей (или панелью). Устройство имеет следующее строение:

• Изделие выглядит как панель, в которой заламинированы кремниевые пластины, ответственные за преобразование энергии.
• Сверху панель защищает закаленное стекло. Чтобы повысить эффективность, выбирают марку стекла с низким содержанием оксидов железа. Благодаря такому решению достигается высокая прозрачность, что также играет на эффективность системы.
• Благодаря ламинации панель получается полностью герметичной, а используемые материалы делают ее стойкой к ветровым и снеговым нагрузкам.

Плюсы и минусы

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления. Ее преимущества описывают следующим образом:

• Ваши ежемесячные платежи за электроэнергию снижаются (а в идеале исчезают). Степень экономии зависит от размеров установленной системы и объема потребления.

• Если монтаж системы производится на собственном участке, вам не надо получать разрешение на установку оборудования.
• Существует возможность заработать, если вы будете производить электроэнергии столько, что сможете продавать ее государству.
• Затраты на обслуживание остаются весьма низкими.
• Небольшой вес, беспроблемная эксплуатация, отсутствие шума.
• Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность солнечных панелей постоянно повышается. Современные модели могут работать даже при сплошной облачности (выработка при этом снижается).

Люди, скептически относящиеся к установке солнечных батарей, оперируют следующими фактами:

• Панели требуют вложения средств, им нужно пространство для установки, а КПД достаточно низкий даже у лучших моделей.
• Панели могут служить источником энергии лишь днем. Чтобы пользоваться дарами зеленой энергетики круглые сутки, необходим аккумулятор – буферное накопительное устройство, а также инвертор (прибор для преобразования постоянного тока в переменный). «Бесплатную энергию от природы» трудно назвать дешевой.

• Зеленая технология вредит природе не хуже традиционного сжигания любого топлива. Стоит вспомнить особенности производства и, особенно, утилизации панелей и аккумуляторов. Ее экологичность под большим вопросом.
• Такой источник энергии трудно назвать независимым. Вы не имеете точек пересечения с государственными сетями, но не сможете обойтись без компаний, занимающихся обслуживанием, ремонтом систем, продажей комплектующих.
• Не всегда можно выйти на окупаемость системы, чаще технология оказывается убыточной. Дело в невнимательном подборе панелей, низкой производительности, неподходящих климатических условиях.

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

• Автономные. Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии. Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

• Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение происходит в автоматическом режиме.

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

• Поликристаллического типа. Бюджетный вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома. Существует версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход. Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.
• Монокристаллический кремний. Панели более надежны в эксплуатации. У них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), стабильнее работа: они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии); те, что используются в космической отрасли – до 38 %.

Также возможна установка следующих устройств:

• Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, служба рассчитана на 25 лет.
• Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).
• Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.
• Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.
• Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Видео описание

О солнечных панелях для дома в следующем видео:

Тонкости, важные для выбора

Чтобы оборудование оказалось максимально эффективным, рекомендуют определиться со следующими вопросами:

• Формат использования. Он определяет финансовую сторону. Одно дело – портативная панель, которую можно повесить на окно или взять в поездку, совсем другое – полноценная система, для установки на крышу дома. Стоимость последней зависит от страны-производителя и мощности.
• Характеристики. Чтобы выбрать модель нужного типа и мощности, полезно обратиться к специалистам, но здесь все также упирается в способ использования. Для зарядки фонарика хватит панели мощностью в 3-4 Вт, для дачного холодильника понадобится система до 100 Вт.
• Расположение. Для монтажа солнечных панелей выбирают поверхность, ориентированную на юг, без затененных участков. Угол наклона выбирают равным широте местности и корректируют в зависимости от времени года: летом увеличивают на 6°, зимой на столько же уменьшают

Видео описание

Об установке батарей на частный дом в следующем видео:

Коротко о главном

Солнечные батареи – альтернативный источник энергии, имеющий вид панелей (стационарных или гибких, переносных). Составной частью панелей служат полупроводниковые элементы, способные преобразовывать энергию солнца в постоянный ток. Особенность солнечных батарей состоит в том, что они не могут работать круглосуточно, поэтому нуждаются в дополнительном оборудовании: аккумуляторе и инверторе (для преобразования постоянного тока в переменный).

По способу работы различают автономные и комбинированные системы. Наиболее популярный продукт на энергорынке – это моно- и поликристаллические системы. При выборе подходящей модели важно учесть мощность, подсчитать ценовые затраты. Если вы собираетесь продавать излишки энергии, для подключения к сети необходимо приглашать электрика.

Типы и формы солнечных батарей: принцип работы

Существуют различные типы солнечных батарей. Отличаются они параметрами, размерами, технологией производства, сроком эксплуатации. Пожалуй, самые важные пункты, которые необходимо учитывать при выборе этого альтернативного источника энергии – КПД и цена.

Есть батареи, покрытие которых изготовлено из инновационных материалов, редкоземельных металлов, их КПД превышает КПД наиболее распространенных моделей. Однако высокая стоимость последних нивелирует данное преимущество и делает их бесполезными в плане краткосрочной или среднесрочной окупаемости. О том, какие существуют типы солнечных батарей и что подойдет лучше всего для бытового использования, вы узнаете из нашего материала.

Польза солнечных батарей

Важнейшим источником энергии для нашей планеты является Солнце. Всего за 40 минут оно способно обеспечить энергетические потребности населения Земли на целый год вперед. А с учетом того, что наше светило предоставляет фактически неисчерпаемые ресурсы, их использование становится весьма перспективным. К тому же, солнечная энергия считается наиболее безопасной и экологичной, а потому и все более востребованной в различных областях человеческой деятельности.

Фото: ozon.ru

Извлекать конкретную пользу от энергии Солнца позволяют специальные устройства — солнечные батареи. Они представляют собой плоские панели, преобразующие солнечное излучение в электроэнергию. Популярность использования этих устройств с каждым годом растет.

Установка нескольких блоков таких панелей должна решать основную задачу — преобразование энергии Солнца в электрическую и обеспечение ею жилых и промышленных объектов без использования централизованной электросети. На данный момент использование солнечных батарей является наиболее эффективным и при этом экологически чистым способом превращения света в электроток. Все остальные альтернативные источники электроэнергии дают куда меньшую эффективность.

Каждая панель состоит из модулей с фотоэлементами, способными поглощать солнечное излучение и преобразовывать его в электрический ток с напряжением 220 В.

Существует несколько форм солнечных батарей. Чаще всего эти изделия имеют вид прямоугольников размером с лист шифера. Каждая такая панель вмещает 36 фотоэлементов, покрытых специальной пленкой или стеклом. Принцип действия устройства следующий. Солнечное излучение образует свободные электроны, которые проникают в панель через соединения и специальные туннели, накапливаясь внутри батареи в виде постоянного тока.

Как только этот ток достигает нужного значения, он преобразуется в переменный с напряжением в 220 В. Для этих целей используется инвертор. Чтобы обеспечить электрической энергией один дом хотя бы частично, требуется установка нескольких таких панелей.

История создания солнечных батарей

Сама идея использования бесплатной и безграничной солнечной энергии витала в умах человечества еще в давние времена. Впервые она была реализована в виде солнечных коллекторов (термальных электростанций), принцип работы которых существенно отличался от современных батарей. Вторая реализация уже представляла собой солнечные панели в нынешнем их виде. Эта попытка была достаточно удачной, давшей возможность массово обеспечивать электричеством самые разные объекты.

Несмотря на относительно короткий срок существования солнечной энергетики, она является следствием множества открытий и разработок. Но ключевым событием в области использования энергии Солнца послужило открытие явления фотоэлектрического элемента в середине позапрошлого века французским ученым Александром Эдмоном Беккерелем.

Позднее, в 1873 году, английским инженером Уиллоби Смитом был подмечен эффект фотопроводимости в селене. Наконец, спустя еще несколько лет был создан первый фотоэлемент. Американский изобретатель Чарльз Фриттс использовал для этого тонкий слой селена, расположив его между золотой и медной пластинами. КПД устройства, правда, составлял всего 1%.

Далее последовал целый ряд открытий. Так, в 1887 году Генрихом Герцем был открыт внешний фотоэффект, а двумя годами позже русский ученый Александр Столетов впервые описал закономерности, по которым этот фотоэффект происходит. Для этого изобретатель соорудил специальную установку, внутри которой из света удалось получить электрический ток. Альберт Эйнштейн также оставил свой след в этой области, объяснив в начале 20 века принцип фотоэлектрического эффекта с точки зрения квантовой механики, в связи с чем был удостоен Нобелевской премии.

Прототипы современных солнечных батарей появились благодаря разработкам итальянского ученого Джакомо Луиджи Чамичана. Последующие научные работы в области полупроводников послужили основой для синтеза кремниевых фотоэлементов в 1954 году, эффективность которых составила уже 4%. Позднее КПД был повышен до 15% компанией Bell Telephone, впервые разработавшей данные элементы.

После этого солнечные панели установили в некоторых городах и селах как автономный источник питания телефонной связи. Эта система успешно функционировала долгие годы. В космической отрасли также активно использовались фотоэлементы, которыми оснащались и продолжают оснащаться спутники, в том числе с использованием других полупроводников.

Принцип работы солнечных батарей

Работу солнечных панелей можно представить в виде следующих процессов:

• Поглощение кремниевой поверхностью батареи фотонов солнечного света.
• Взаимодействие фотонов с атомами кремния. При этом происходит отрыв электронов поверхности, что приводит к появлению напряжения. Свободные электроны под действием разницы потенциалов начинают двигаться, в итоге образуется электрический ток. Солнечная панель является полупроводником, поэтому она упорядочивает ток в одном направлении.
• Преобразование полученного электрического тока в постоянный. На этом этапе энергия аккумулируется в батарее и направляется к потребителю.

Фото: ozon.ru

При изготовлении солнечных батарей используется кварцевый песок, содержащий в себе необходимую двуокись кремния. В процессе синтеза данное сырье плавят при высоких температурах с добавлением других химических элементов. Этим достигается очистка кремния до степени 99%, требуемой для работы батарей. Производство кремниевых панелей достаточно дорогостоящее, поэтому сегодня разрабатываются фотоэлементы на основе иных, полимерных материалов. КПД таких прототипов достигает 30%.

Солнечные панели отличаются друг от друга гибкостью и жесткостью в зависимости от состава рабочего слоя и конструктивных особенностей. Большую популярность сегодня набирают гибкие изделия, выгодно выделяющиеся простотой монтажа даже на вертикальных поверхностях. Это качество позволяет добавлять к архитектуре зданий черты практичного и инновационного хайтека.

По составу фотоэлектрического слоя различают:

• Полимерные панели (КПД 7%).
• Теллурий-кадмиевые панели на основе галлия, меди, селена и индия (КПД до 15%).
• Кремниевые панели (КПД 7% в аморфной, КПД 15% в монокристаллической, КПД 13% в поликристаллической модификациях).
• Панели с использованием арсенида галлия.
• Органические панели.
• Комбинированные панели.

Чаще всего покупают наиболее дешевые кристаллические батареи, несмотря на то, что они наименее эффективны.

Основные типы современных солнечных батарей

Итак, самыми популярными на сегодня являются моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные изделия. Эти типы различаются между собой и технологией производства, и внешним видом, и КПД.

Следует рассмотреть плюсы и минусы всех разновидностей.

Далее разберем более подробно эффективность каждого вида солнечных батарей и особенности их использования.

Принцип работы солнечных батарей: как устроена и из чего состоит?

Еще не так давно автономная система снабжения дома электричеством была чем-то фантастическим. С развитием альтернативных источников энергии это стало реальностью. Сегодня в европейских странах широко используются солнечные панели, и это неудивительно, ведь они являются неисчерпаемым источником недорогой энергии. В нашей стране такие батареи только начинают набирать популярность. Процесс протекает медленно, что связано с высокой стоимостью системы.

Солнечная батарея: устройство, принцип работы

Альтернативная энергетика имеет множество нюансов, поэтому начинающим пользователям важно разобраться в терминологии. Важно понимать, что солнечные батареи и коллекторы, работающие от солнца, являются разными устройствами. Так, батареи создавались для преобразования излучения главного светила в электричество, а коллекторы используются для трансформации энергии Солнца в тепло.

Под словом «батарея», как правило, понимают устройство, накапливающее выработанную электрическую энергию. Однако важно понимать, альтернативные системы не создавались для накопления энергии солнца. Эти устройства предназначены только для выработки электричества. Ток для обеспечения дома собирается в аккумуляторных батареях, которые являются обязательным элементом энергоснабжающей системы.

Солнечная батарея является совокупностью компонентов одного типа, соединенных в единую систему. Сегодня эти устройства становятся доступными широкому потребителю, появляются новые модели, демонстрирующие высокую эффективность. Подобные батареи обеспечивают необходимой энергией не только высокотехнологичные объекты, такие как космические станции или спутники. Их применение позволяет обеспечить работу бытовых приборов, автотранспорта, дома. Сегодня такие батареи нашли широкое применение, их используют для строительства полноценных электрических станции, способных вырабатывать большие объемы энергии.

Отвечая на вопрос, что представляет собой солнечная батарея какое у нее внутреннее устройство, кратко можно описать ее, как блок, состоящий из ряда модулей, объединенных с помощью полупроводников в определенной последовательности.

Основные виды солнечных панелей

Фотоэлементы, в основе которых лежат разные виды химических элементов, сегодня находятся в стадии разработки, что говорит о том, что альтернативная энергетика развивается стремительными темпами. Сегодня крупными производителями выпускаются фотоэлементы, для изготовления которых используется кремний.

Главным блоком солнечного модуля является тончайшая пластина из двух кремниевых слоев. Каждый слой обладает уникальными физическими характеристиками. Технология изготовления делит фотоэлементы для альтернативных электростанций на:

Монокристаллические модули демонстрируют высокий коэффициент полезного действия, если сравнивать с поликристаллическими моделями.

Внешне эти два вида панелей можно отличить по разной форме. Монокристаллические модули имеют однородную структуру и выпускаются в форме квадрата с усеченными углами. Поликристаллические фотоэлементы выпускаются в форме обычного квадрата.

Процесс изготовления поликристаллов предусматривает плавление кремния и его последующее постепенное охлаждение. Данный способ изготовления элементов простой, не требующих больших материальных затрат, что позволяет выпускать недорогие системы. Однако такие модели имеют относительно невысокий показатель производительности.

Монокристаллы изготавливаются из цельного кристалла кремния, выращиваемого в искусственных условиях. КПД таких панелей, в сравнении с поликристаллами, гораздо выше и достигает показателя в 20-22 процентов.

Попадая на поверхность фотоэлементов, лучи солнца генерируются и, проходя «p-n» переход одного полупроводникового слоя в другой, образуют напряжение в цепи. Подключение к аккумулятору создает замкнутое кольцо. В результате, панель начинает работать, как колесо, где вместо белки бегают электроны.

Как повысить результаты работы солнечных панелей

Установка одного модуля позволит даже в условиях ясной погоды обеспечить нужным количеством энергии мелкую технику. Для повышения мощности используются несколько батарей, объединенных параллельной схемой. Такой подход позволяет увеличить значение постоянного тока.

Насколько эффективным будет использование солнечных батарей, зависит от следующих факторов:

· температуры модуля и воздуха;

· правильность подбора сопротивления нагрузке;

· угла падения лучей;

· мощности потока света;

· наличия на поверхности модуля антибликового покрытия.

Стоит отметить, что фотоэлементы работают эффективнее при невысоких температурных значениях. При расчете нагрузки важно учитывать погодные факторы той местности, где устанавливается электростанция.

Для повышения эффективности солнечных панелей приходится постоянно следить за многими параметрами, чтобы вовремя вносить коррективы в ручном режиме. Поскольку такой подход требует много времени, современные пользователи могут воспользоваться таким устройством, как контроллер управления. Он в автоматическом режиме выполняет настройки солнечных панелей, добиваясь оптимальных условий ее работы, максимального показателя производительности.

Как добиться высокой эффективности? Одним из основных факторов, влияющих на продуктивность альтернативной станции, является угол падения лучей Солнца на поверхность панелей. Оптимальным показателем принято считать попадание лучей под прямым углом. Эффективной работа станции будет, если отклонение этого показателя будет находиться в пределах не более 30 градусов от прямого угла. Увеличение этого параметра приведет к существенному снижению коэффициента полезной деятельности модулей. Чтобы станция вырабатывала максимальное количество энергии, при установке панели важно ориентировать под прямым углом к лучам Солнца.

Еще одним немаловажным фактором, который существенно влияет на уровень производительности солнечных батарей, являются пыль и загрязнения. Скапливаясь на поверхности панелей, они создают преграду и не пропускают лучи, что не дает системе преобразовывать энергию Солнца в электричество. Регулярный уход позволит не допускать скапливания пыли, а значит, повысит уровень производительности работы панелей.

Некоторые виды панелей оснащены для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлементов линзами. Если погодные условия благоприятные, погода ясная, это повысит КПД до максимальной отметки. При пасмурной погоде линзы могут только навредить. Если стандартная батарея, пусть и в меньших количествах, при пасмурной погоде продолжит генерировать электроэнергию, то линзовые модели могут прекратить работу. Поэтому, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы станции ее блоки должны быть равномерно освещены.

Солнечные батареи: сфера применения и принцип работы оборудования

Если раньше люди были зависимы от централизованного энергоснабжения, то сейчас у всех есть хорошая альтернатива – солнечные батареи. Такое оборудование идеально для установки в частных домах, дачах, на промышленных объектах. Электростанции стали доступнее по цене и разнообразнее по видам и мощности. В этой публикации мы детальнее рассмотрим принцип работы солнечной батареи, ее виды и преимущества использования в быту и на производстве.

Устройство и история появления солнечных батарей

Человечество уже давно задумывалось об использовании неиссякаемой энергии солнца. Первые попытки предпринимались еще в двадцатом веке. Тогда была разработана концепция термальной электростанции. Однако на практике она показывала очень низкую эффективность, ведь концепция подразумевала трансформацию энергии солнца. Проанализировав первую неудачу, ученые пришли к выводу, что необходимо использовать солнечные лучи напрямую. Такой принцип был открыт в 1839 году. Его основал Александр Беккерель. Однако до появления первых полупроводников прошло немало лет. Они были изобретены лишь в 1873 году. Этот год можно назвать началом работы над современными прототипами электростанций.

Если говорить о том, из чего состоит солнечная батарея, то изначально стоит упомянуть фотоэлементы. Их можно назвать маленькими генераторами. Именно они выполняют основную функцию – собирают энергию солнца. Сегодня есть несколько видов солнечных панелей, о которых будет рассказано в следующем разделе. Однако, независимо от вида, современная панель представляет собой основу определенного размера, на которой размещаются вышеупомянутые фотоэлементы. Эти элементы очень хрупкие, поэтому они дополнительно защищаются стеклом и полимерной подложкой.

Однако солнечные панели – это лишь часть всей электростанции. Также в нее входят другие элементы:

1. Аккумуляторная батарея.
2. Контролер заряда.
3. Инвертор.
4. Стабилизатор.

Каждый из перечисленных устройств выполняет свою функцию. Аккумулятор – накапливает и хранит добытую энергию, контролер – контролирует мощность, подключает и отключает батарею, анализируя уровень заряда. Инвертор называют еще преобразователем. Это оборудование превращает прямой ток в переменный. Благодаря ему электричество можно использовать для бытовых целей. Последней составляющей электростанции является стабилизатор. Он защищает всю систему от скачков напряжения.

Какие виды солнечных батарей существуют?

Есть несколько классификационных признаков, по которым все солнечные панели делятся на разные виды:

1. Тип устройств.
2. Материал изготовления фотоэлектрического слоя.

По типу устройства выделяют два вида: гибкие и жесткие. Первый тип отличается своей пластичностью. Такую панель можно легко скрутить в трубочку, ничего не повредив. Твердая панель не меняет своей формы. По материалу изготовления есть три вида: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.

Аморфные батареи могут быть гибкими. Они непривередливы к месту установки, но КПД такого устройства очень низкий. Он составляет не более шести процентов. Поликристаллические изделия отличаются низкой ценой. Однако они более эффективны в пасмурную погоду. В очень жаркую погоду их выработка снижается чуть больше чем у монокристаллических модулей.

Если необходим максимальный эффект от электростанции, то следует отдавать предпочтение панелям с монокристаллическими элементами. Уровень их КПД достигает двадцати пяти процентов. Монокристаллические панели являются более дорогими, так как монокристаллический кремний при производстве требует больших энерго и временных затрат.

Сфера применения солнечных батарей

С разработкой новых технологий и развитием концепции питания от солнечной энергии сфера применения панелей стала довольно широкой. Раньше такие устройства обычно устанавливались на небольших частных домах или дачах. Они применялись исключительно в бытовых нуждах, так как потребляемая мощность была минимальная. Сейчас же есть мощнейшие электростанции, показывающие высокую эффективность работы. По этой причине сфера применения панелей стала больше.

Интересный факт! Энергии, которую выделает Солнце за одну секунду, может хватить для обеспечения электричеством всего человечества на пятьсот тысяч лет.

Солнечные батареи стали активно применяться на промышленных и коммерческих объектах, позволяя значительно экономить на их энергоснабжении. Также панели устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, на фермах, военно-космических объектах. Менее мощные панели применяются для изготовления различных приспособлений для быта: фонариков, калькуляторов, зарядных устройств, др. Они служат источником энергии там, где нет возможности подключиться к центральной сети. Такие приспособления пользуются большим спросом у охотников, рыбаков, любителей походов.

Важно! Солнечные электростанции современного образца будут эффективны везде: как в доме, так и на большом промышленном объекте. Однако для этого они должны быть правильно подобраны по необходимой мощности. Расчет данного параметра должен осуществляться специалистом.

Как работает солнечная панель: принцип работы устройства простым языком

Если предстоит покупка солнечных батарей, то нужно обязательно ознакомиться не только с их устройством, но и с принципом работы. Итак, как работает солнечная панель? Несмотря на внешнюю простоту устройства, принцип работы такой электростанции довольно сложный. Он основан на фотоэлектрическом эффекте, который достигается при помощи фотоэлементов.

Солнечные панели собирают лучи. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет приводит к высвобождению электронов из двух слоев. На освободившиеся место из первого слоя встают электроны второго слоя. Происходит постоянное движение электронов, что приводит к естественному образованию напряжения на внешней цепи. В результате один из фотоэлектрических слоев приобретает отрицательный заряд, а второй – положительный.

Эти действия приводят в работу аккумулятор. Он начинает набирать и хранить заряд. При этом уровень заряда аккумулятора постоянно контролируется. Если он низкий, контролер включает в работу солнечную панель. В случае высокого заряда это же устройство панель отключает. Далее включается в работу инвертор. Он преобразовывает ток из постоянного в переменный. С его помощи на выходе электростанции появляется напряжение в 220 В. Это дает возможность подключать и питать от электростанции бытовые приборы.

Подключение солнечной панели

Эффективность и правильность работы солнечных батарей зависит не только от их вида, мощности, но и от установки и подключения. Должна быть разработана правильная схема подключения всех элементов электростанции и грамотно выбрано место для установки солнечных панелей. Такую работу можно доверять только профессионалам.

Не секрет, что выходное напряжение одной панели относительно невысокое. Обычно используются несколько батарей одновременно. Все панели должны подключаться параллельно-последовательным способом. Такой тип подключения позволяет обеспечивать максимальную эффективность работы оборудования.

Преимущества, недостатки панелей

Солнечные батареи стали дешевле, что сделало их доступнее для более широкого круга потребителей. Однако перед покупкой каждый человек должен детально ознакомиться с преимуществами и недостатками этого источниками энергоснабжения. Среди его неоспоримых достоинств стоит отметить следующие:

• экологическая безопасность. В наше время экология – это одна из насущных проблем. Солнечные электростанции работают без вреда окружающей среде. Они не выделяют при работе вредных веществ;
• быстрая окупаемость. Стоимость электричества, как для бытовых пользователей, так и для предприятий, постоянно растет. С установкой панелей удается полностью или частично перейти на альтернативный источник энергии, являющийся абсолютно бесплатным и доступным каждому. Благодаря этому, покупка и установка оборудования окупается за считанные годы работы;
• легкость использования электростанции. Несмотря на сложное устройство и принцип работы, эксплуатировать станцию довольно просто. Главное – следить за исправностью ее составляющих и не экономить на обслуживании, которое требуется не так часто;
• быстрая установка. Профессионалы монтируют все элементы станции буквально за несколько часов или дней (в зависимости от количества панелей, мощности, др.). Больше времени занимает подбор составляющих и покупка оборудования.

Недостатки у таких установок тоже имеются. Самый основной заключается в дороговизне оборудования. Однако не стоит забывать, что большой вклад при покупке быстро окупится многолетним бесплатным использованием энергии солнца. Вторым серьёзным недостатком солнечных панелей является их зависимость от внешних факторов. Эффективность их работы зависит от погоды, температурных условий, положения по отношению к Солнцу, от чистоты поверхности.

Как достичь максимальной эффективности работы батарей?

Солнечную электростанцию имеет смысл ставить только в регионах с длительным световым днем. Там, где день короткий, можно применять панели только в качестве дополнительного источника света, но не основного. Как уже было замечено, разные виды солнечных батарей имеют свой КПД. Чтобы добиться максимального эффекта, следует выбирать устройства с максимальной производительностью, несмотря на их дороговизну.

Большую роль будет играть правильность расчета мощности всей установки. Это позволит подобрать необходимый размер и количество панелей, мощность других комплектующих станции. Также залогом эффективной работы панелей является мощный аккумулятор. В системе должно быть два аккумулятора, особенно в зимнее время года. Второй аккумулятор позволит накапливать достаточно энергии для обеспечения электричеством объекта в короткие световые дни.

Нельзя забывать и о других факторах, которые влияют на работу станции. Панели должны быть расположены под правильным углом, их нужно обязательно держать в чистоте. В противном случае, КПД батарей будет значительно снижаться.